Отгонка хлорметила из конденсата метилхлорсиланов

1. Общие сведения о кремнийорганических соединениях

1.1 Особенности химии и технологии кремнийорганических соединений

1.2 Классификация

1.3 Физические свойства

2. Общие сведения о метилхлорсиланах

2.1 Технические характеристики метилхлорсиланов

3. Описание технологического процесса

3.1 Химизм

4. Отгонка хлорметила из конденсата метилхлорсиланов

5. Материальный баланс

5.1 Схема материального баланса отгонки хлорметила из конденсата МХС

6. Ежегодные нормы расхода основных видов сырья, материалов и энергоресурсов

7. Контроль производства и управления технологическим процессом

8. Проектный расчет

9. Безопасная эксплуатация производства. Характеристика опасностей, имеющихся в производстве

Заключение

Список использованной литературы

Кремнийорганические соединения — соединения, в молекулах которых имеется связь между атомами кремния и углерода. Кремнийорганические соединения иногда называют силиконами, от латинского названия кремния «силициум». Кремнийорганические соединения используются для производства смазок, полимеров, резин, каучуков, кремнийорганических жидкостей и эмульсий. Кремнийорганические соединения применяются в косметике, бытовой химии, лакокрасочных материалах, моющих средствах. Отличительной особенностью продукции на основе кремнийорганических соединений от продукции на основе обычных органических соединений являются, как правило, более высокие эксплуатационные качества и характеристики, а также безопасность применения человеком. Кремнийорганические полимеры могут использоваться для изготовления форм в кулинарии. Полимеризация кремнийорганических компаундов и герметиков безопасна для человека и не требует вытяжки. [1]

Этилсиликаты — прозрачные, маловязкие жидкости, представляющие собой сложную смесь олигоэтоксисилоксанов с разной степенью конденсации. Средний состав этилсиликатов соответствует формуле олигомера: (RO)3Si (OSi (OR)2)4OSi (OR)3.

В данной работе рассмотрен промышленный метод производства продукта метилхлорсиланов, а в частности — стадия отгонки хлорметила в производстве МХС.

Задачей данного курсового проекта является проведение расчета теплообменного аппарата. Выполнение материального и теплового баланса, определение основных размеров аппарата.

1. Общие сведения о кремнийорганических соединениях

Много новых направлений в химии и химической промышленности возникли в результате того, что ученые и инженеры, изучая природные вещества, воспроизводили эти материалы.

Соединения кремния были известны человеку с незапамятных времен. Первое органическое соединение, содержащее кремний, было получено еще в 1845 г. в реакции этилового спирта с четыреххлористым кремнием: SiCl4+4С2Н5OН>Si (OC2Н5)4+4HCl. Но это не был первый синтез кремнийорганического соединения в том смысле, какой вкладывает в это понятие современная химическая номенклатура. Кремнийорганическими сейчас признают лишь те соединения, в которых есть связь углерод — кремний непосредственно или через атомы других элементов (O, N, S и др.).

Так что первое кремнийорганическое соединение — тетраэтилсилиций Si (C2H5)4 — было получено лишь в 1863 г. при действии диэтилцинка на SiCl4. Кремний, как и углерод, находится в IV группе периодической системы и по типу простейших соединений является аналогом последнего. Исследователей давно привлекала перспектива получения полимерных соединений, сочетающих теплостойкость хрупкого кварца и пластичность неустойчивых к нагреванию полиакрилатов или полистиролов. Кремнийорганические материалы как раз и характеризуются высокой износостойкостью и широко используются на практике в качестве силиконовых масел, клеев, каучуков, лаков.

Кремнийорганические соединения приобрели большое значение в связи с разработкой методов синтеза высокомолекулярных кремнийорганических соединений, нашедших широкое применение в различных областях техники.

1.1 Особенности химии и технологии кремнийорганических соединений

Основные особенности химии и технологии кремнийорганических соединений:

— различие в избирательном сродстве элементов по сравнению с углеродом. Кремний обладает большим сродством к электроотрицательным элементам, чем углерод. Он обладает малой прочностью Si-Si связей по сравнению с С-С связью. И наоборот большой прочностью Si-O-Si;

— повышенная реакционная способность функциональных групп;

— различие в образовании типов связи, т. е. здесь существенная роль играет ковалентная связь.

1.2 Классификация

Кремнийорганические соединения подразделяют на «мономерныe», содержащие один или несколько атомов кремния и кремнийорганические полимеры. Наиболее изучены следующие группы соединений: органогалогeпсиланы RnSiHal4-n (n=1−3) и RnSiHmHal4-n-m (n и m = 1,2; m+n=2,3); алкоксисиланы и ароксисиланы Si (OR)4, R’nSi (OR)4-n; органогидросиланы RnSiH4-n; органоаминосиланы RnSi (NR'2)4-n; органосиланолы RnSi (OH)4-nI; органоацилоксисиланы RnSi (OCOR')4-n (n=1−3); силатраны; соединения с несколькими атомами Si — органосилоксаны со связями Si—О—Si, органосилазаны со связями Si—N—Si, органосилатианы (Si—S—Si), полиорганосиланы (Si—Si) и др. Большую группу составляют карбофункциональные кремнийорганические соединения, из которых наиболее исследованы вещества, содержащие в органическом радикале атомы галогена, амино-, гидрокси-, алкокси-, эпокси-группу и т. д.; соединения, содержащие группировку SiM, SiOM или SiRM (М — атом металла или неметалла, напр. Li, Na, К, В, Al, Sn, Ti, P, Fe), — называют кремнийэлемeнтоорганические соединения; а также гетероциклические кремнийорганические соединения, содержащие один или более атомов Si в цикле, например силациклобутан, 10,10-дихлор-9-окса-10-сила-9,10-дигидрофенантрен («оксафен») и др. По номенклатуре ИЮПАК, соединения с одним атомом Si рассматривают как производные силана SiH4, например (CH3)2SillCl-диметилхлорсилан, CF3CH2CH2SiCl3−3,3,3-трифторпропилтри-хлорсилан. Часто за основу берут названия органических соединений, добавляя название соответствующего кремнийсодержащего заместителя, например Cl2(CH3)SiCH2Si (CH3)Cl2-биc-(метилдихлорсилил) метан.

Рассмотрим более подробно одну из групп кремнийорганических соединений, это органосилаксоны.

Основной структурой фрагмент орагносилаксонов — группировка, содержащая цепочку кремний-кислород-кремний, при этом у атома кремния должна находиться, по крайней мере, одна органическая группа (если ее не будет, то соединение перейдет в разряд неорганических силикатов, свойства которых совсем иные):

Метод, позволяющий присоединить к кремнию органические группы, не сложен. Если пропускать пары хлоруглеводородов над нагретым до 300−350 °С элементарным кремнием (в присутствии катализатора — меди), то атомы кремния «встраиваются» между атомами углерода и галогена, в итоге образуются органохлорсиланы с различным содержанием органических групп и соответственно хлора у атома кремния:

Атом хлора, присоединившись к кремнию, приобретает совсем иные свойства, непохожие на те, что были, когда он соседствовал с углеродом. Такой атом хлора исключительно легко гидролизуется водой, образуя так называемую силанольную группу SiOH:

Гидроксильные группы у кремния по свойствам также заметно отличаются от спиртового гидроксила С-ОН. Оказавшись в кислой среде (выделяющийся HCl), гидроксисилоксаны легко конденсируются с образованием силоксановой связи Si-O-Si. При этом достаточно длинные силоксановые цепочки не вырастают, поскольку силоксановая связь исключительно гибкая — они замыкаются в циклы:

Из приведенной схемы следует, что органосилоксаны, которые являются главным объектом нашего внимания, можно получить весьма просто — гидролизом органохлорсиланов и последующей конденсацией силанолов. Такая конденсация часто протекает самопроизвольно.

1.3 Физические свойства

Замещение атома водорода у атома Si на другие атомы, органической и неорганической группы увеличивает температуры кипения кремнийорганических соединений, изменяет в широком диапазоне. Для них характерно понижение температур плавления и кипения при переходе от производных дисилана к соответствующим производным дисилоксана, несмотря на увеличение молекулярной массы, что является следствием низкого межмолекулярного взаимодействия последних. Некоторые, содержащие гидрофильные группы (например, [НО (СН3)2Si]2О, (C2H5O)3Si (CH2)3NH2 и др.), растворимы в воде. Органосиланы, органосилоксаны-диэлектрики с высоким удельным объемным сопротивлением 1.1014−1.1016 Ом. см, электрической прочностью 20−200 кВ/мм и tgd 0,01−0,001. В ИК спектрах кремнийорганических соединений полосы поглощения, обусловленные крeмнийсодержащими фрагментами, примерно в пять раз более интенсивны, чем полосы соответствующих углеродных аналогов. ИК спектры характеризуются следующими полосами поглощения (в см-1): 2250−2150 (SiH), 1250 (Si—CH3), 1630, 1125 (Si-C6H5), 3700−3650, 3400−3200 (Si-OH своб.), 1100−1000 (Si—О—Si), 800−670 (Si—Cl). В отличие от соединений углерода, для спектров ЯМР кремнийорганических соединений характерна нелинейная зависимость величины химического сдвига от числа однородных заместителей, связанных с центральным атомом Si. Масс-спектры кремнийорганических соединений, характеризуются наличием пиков молекулярных (квазимолекулярных) ионов и малым числом осколочных ионов. Важную роль играют разнообразные перегруппировочные процессы. [2]

2. Общие сведения о метилхлорсиланах

Метилхлорсиланы, соединение общей формулы (CH3)mSiClnH4_m_n, где т и n = 1 — 3 и т + п <= 4. Бесцв. легко подвижные жидкости (см. табл.) с раздражающим запахом. Хорошо растворим в органических растворителях. В спектрах ПМР химический сдвиги атомов Н при атоме Si находятся в области 5−6,5 м. д., химический сдвиги метильных протонов — при ~ 0,5−1 м. д.

По химический свойствам — типичные органогалогенсиланы.

МХС получают в промышленности в реакторах кипящего слоя взаимодействие СН3Сl с измельченным техническим кремнием в присутствии 3−5% порошка меди (катализатор) и различные активирующих и промотирующих добавок (например, Zn, ZnCl2, Al, Sb, Bi) при температуре 260−360 °C и давлении 0,3−0,5 МПа. Полученную сложную смесь продуктов ректифицируют. Для увеличения содержания в продуктах реакции соединений, содержащих связи SiH, к СН3Сl добавляют НСl или HSiCl3. [3]

МХС являются основными видами сырья для получения разнообразных полимерных кремнийорганических продуктов — полиорганосилоксанов (жидкостей, лаков, смол, эласторов, силоксановых каучуков и др.), нашедших широкое применение в различных отраслях народного хозяйства и спецтехники.

2.1 Технические характеристики метилхлорсиланов

По физико-химическим показателям метилхлорсиланы должны соответствовать [4]

Таблица 1

Диметилдихлорсилан

Таблица 2

Метилдихлорсилан

Таблица 3

Метилтрихлорсилан

Таблица 4

Триметилтрихлорсилан

Таблица 5

Диметилхлорсилан

Таблица 6

Фракция ТХС (возвращается в синтез)

3. Описание технологического процесса

3.1 Химизм

Процесс получения МХС основан на прямом взаимодействии хлорметила в присутствии меди (катализатора) и активаторов: алюминиево-кремниевого сплава АКА-20, цинкового порошка, сурьмы.

Процесс осуществляется в аппарате «кипящего слоя» и описывается следующими химическими уравнениями:

2CH3Cl + Si (CH3)2SiCl2

4CH3Cl + 2 Si (CH3)3SiCl + CH3SiCl3

3CH3Cl + Si CH3SiCl3 + 2 CH3•

CH3Cl + HCl + Si CH3SiCl2

Технологический процесс состоит из двух стадий: синтеза и ректификации — и направлен на преимущественное получение ДМДХС.

Для обеспечения мощности производства (25 000 т/год по сумме целевых кремнийорганических мономеров, в том числе по отдельным продуктам) узел синтеза МХС выполнен в две нитки (рабочие).

На стадии ректификации узел отгонки хлорметила выполнен в две рабочие нитки (колонны К2031,2), узел разделения дистиллята колонны К213 выполнен в две нитки (рабочая и резервная, колонны К4001,2), узел разделения дистиллята колонны К241 выполнен в две рабочие нитки (колонны К5001,2). Остальные узлы производства выполнены в одну нитку с установкой резервного насосного оборудования.

Стадия синтеза включает следующие узлы:

— пневмотранспорт кремния;

— приготовление каталитической системы;

— прием и испарение хлорметила;

— синтез МХС;

— конденсация парогазовой смеси МХС;

— вспомогательные узлы;

— нейтрализация абгазов синтеза МХС;

— нейтрализация шламов барботажного куба и ректификации;

— регенерация отработанной контактной массы;

— установка сушки РКМ;

— получение высокотемпературного теплоносителя;

— установка подогрева азота.

4. Отгонка хлорметила из конденсата метилхлорсиланов

Конденсат МХС насосом Н861,2 подается непрерывно через теплообменник Т2021,2 на ректификацию в колонну К2031,2. расход МХС (8+1) м3/ч (к.т. 102) контролируется и регулируется.

Колонна К2031,2 — тарельчатая, тарелки ситчато-клапанные, число тарелок — 75.

Режим работы:

Температура (28+3) ?С (к.т. 103а)

верха куба 135−150 ?С (к.т. 103е)

температура контрольной тарелки

35−45 ?С (к.т. 103б)

давление верха (0,52+0,05) МПа (к.т. 103в)

куба (0,58+0,05) МПа (к.т. 103г)

перепад давления (60,0+4,5) КПа (к.т. 103б)

Подача питания осуществляется на двадцатую, тридцатую или сороковую тарелки в зависимости от содержания ХМ в конденсате.

Пары ХМ поступают на конденсацию в дефлегматор Т2051,2, охлаждаемый рассолом с температурой 7? С и хвостовые холодильники Т205а1,2 и Т2071,2, охлаждаемые рассолом с температурой минус 15? С и хладоном-30 с температурой минус 45? С соответственно. Температура на линиях слива конденсатов контролируется (к.т. 106, 107, 110).

Абгазы после хвостового холодильника Т2071,2 направляются в конденсатор Т3011−3 (сх.4 л.2), охлаждаемый холодом с температурой минус 80? С. Давление в абгазах (0,52+0,05) МПа контролируется и регулируется (к.т. 111).

Конденсат МХС со всех ступеней конденсации собирается в фазоразделитель Е2061,2, откуда насосом Н2081;4 частично через холодильник Т208а1,2, охлаждаемый рассолом с температцрой минус 15? С, откачивается в сборник Е31 для использования на синтезе МХС. Температура дистиллята из холодильника Т208а1,2 минус 5 — минус 10? С контролируется (к.т. 113). Объемный расход дистиллята к холодильнику Т208а1,2 (5,5+0,4) м3/ч контролируется (к.т. 112).

Остальной ХМ подеется в колонну К2031,2 в виде флегмы. Объемный расход флегмы (11+3) м3/ч контролируется и сигнализируется по минимальному значению (к.т. 105а).

Выполнена блокировка насоса Н2081;4 по минимальному давлению нагнетания, минимальному уровню залива насоса и максимальному току электродвигателя, со световой и звуковой сигнализацией (к.т. 109).

Предусмотрен контроль и регулирование верха колонны К2031,2 (28+3) ?С (к.т. 108а) отбором дистиллята от холодильника Т208а1,2 в емкость Е31 и контроль, сигнализация и регулирование уровня в фазоразделителе Е2061,2 200−1400 мм (к.т. 108) расходом флегмы в колонну К2031,2.

Смесь МХС из куба колонны К2031,2 через воздушный холодильник Т2091,2 с температурой 40−50 ?С (к.т. 114а) непрерывно подается на питание колонны К213 или в сборник Е210.

Смесь МХС после воздушного холодильника Т2091,2 должна содержать массовую долю ХМ не более 0,1% (к.т. 114б).

Часть смеси МХС отводится на орошение промывной колонны К751,2. уровень в кубе колонны К2031,2 100−900 мм контролируется и регулируется отбором кубовой жидкости (к.т. 103д). Имеется световая сигнализация уровня при отклонении от номинала. Температура в кубе колонны К2031,2 135−150 ?С (к.т. 103е) поддерживается подачей пара в кипятильник Т2041;4 с регулируемым расходом (3200+400) кг/ч (к.т. 104).

Для защиты от превышения давления установлены предохранительные клапаны на линии питания колонны К2031,2 и на парогазовой линии от кипятильника Т2041,2 к колонне К2031,2. сброс от предохранительных клапанов осуществляется в сепаратор Е201, откуда жидкая фаза сливается в емкость Е35, а абгазы направляются на конденсацию в конденсатор Т37.

5. Материальный баланс

Таблица 7

Отделение легкокипящих примесей, включая МДХС (колонна К213)

5.1 Схема материального баланса отгонки хлорметила из конденсата МХС

6. Ежегодные нормы расхода основных видов сырья, материалов и энергоресурсов

метилхлорсилан кремнийорганический отгонка хлорметил

Нормы в расчете на 1 т метилхлорсиланов, составляющих мощность производства, представлены в таблице 8.

Примечание: Расход жидкости ПЭС-5 или масла АМТ-300Т на первоначальное заполнение системы 90 м³.

7. Контроль производства и управления технологическим процессом

Таблица 9

Отгонка хлорметила из конденсата МХС

8. Проектный расчет

Рис. 2. Температурная схема теплообменного аппарата

1. Тепловая нагрузка [5]

где GГ — расход холодного теплоносителя, кг/с.

?tХ — разность температур холодного теплоносителя

СХ — теплоемкость холодного теплоносителя при среднем температурном напоре? t*, кДж/(кг· с.)

где

При таком среднем температурном напоре теплоемкость хлорметила [6]

Тогда

2.

где GХ — расход холодного теплоносителя, кг/с.

?tХ — разность температур холодного теплоносителя

СХ — теплоемкость холодного теплоносителя при среднем температурном напоре? t*, кДж/(кг· с.)

где NХ — тепловая нагрузка холодного теплоносителя

3. Средняя температура горячего теплоносителя [7]

4. Средняя температура холодного теплоносителя

Необходимое сечение трубного пространства

Плотность рассола

Динамическая вязкость рассола

Критерий Рейнольдса берем равный 10 000

Диаметр трубок dт=25мм=0,025 м, толщина стенок ?=2мм=0,002 м, тогда

Тогда необходимая скорость потока будет

где WX — необходимая скорость потока в трубках, м/с.

Re — критерий Рейнольдса

?Х — динамическая вязкость рассола, Па· с.

?Х — плотность рассола, кг/м3

отсюда необходимое сечение трубного пространства

где SТ — сечение трубного пространства, м2

где К — коэффициент теплопередачи горячего теплоносителя

К=1,5 [9]

Площадь поверхности теплообмена

Для охлаждения хлорметила в дефлегматоре Т2071,2 выбирается теплообменник с площадью поверхности теплообмена 361 м², внешним диаметром 1200 мм и длинной 5356 мм, выполненный из следующих марок стали Ст20, ВСт3сп5, 09Г2С. [8]

9. Безопасная эксплуатация производства. Характеристика опасностей, имеющихся в производстве

Опасность производства МХС определяется токсичностью и пожаро-взрывоопасностью применяемого сырья (хлорметил) и получаемых продуктов (метилхлорсиланов).

Производство МХС относится к категории пожаро-, взрывоопасных.

Основные опасности и вредности производства определяются:

1) Применением хлористого метила, хлористого водорода, метилхлорсиланов, которые могут вызывать химические ожоги при попадании на открытые участки тела и отравление работающих при вдыхании паров.

2) Применением хлористого метила и метилхлорсиланов, которые могут образовывать с воздухом взрывоопасные смеси.

3) Применением 10−15% растворов щелочи и известкового молока, которые могут вызвать химические ожоги.

4) Применением холода с температурой минус 15 °C, минус 45 °C, минус 80 °C, которые могут вызвать обморожение.

5) Применением пара и парового конденсата, которые могут вызвать термические ожоги.

6) Применением электрического тока высокого напряжения, опасного для жизни работающих.

7) Наличием аппаратов, трубопроводов, работающих под давлением свыше 0,7 МПа.

8) Разгерметизацией в случае аварии оборудования, коммуникаций и прекращении подачи азота на азотное «дыхание» аппаратов, содержащих ЛВЖ и ГЖ.

9) Проведением газоопасных работ I-II группы.

10) Обслуживанием оборудования, расположенного на открытых площадках отм. 0.000−61.000.

11) Энергией сжатого пара газообразных продуктов, что может привести к механическому разрушению оборудования и трубопроводов механическим ударом разрывной волны.

12) Вращающимися деталями и элементами механизмов, которые могут привести к ушибам и травмам.

13) Получением и применением жидкостей диэлектриков (метилхлорсиланы), способных образовывать при их перемещении статическое электричество с возникновением пожаров и взрывов при определенных условиях.

14) Использованием азота в производстве, который может вызвать удушье.

15) Использованием высокотемпературного теплоносителя, который может вызвать термические ожоги.

Наиболее опасной стадией в производстве МХС является стадия синтеза.

Во всех случаях возникновения аварийного положения персонал обязан действовать в соответствии с планом локализации аварии.

Оперативное руководство в цехе в случае аварийного положения до прибытия специальных команд осуществляется начальником цеха, его заместителем или мастером смены.

При возникновении пожара до прибытия пожарной команды очаг пожара ликвидируется сменным персоналом.

Прием и сдача смены во время аварии запрещается. Все посторонние лица, не связанные с ликвидацией аварии, удаляются из цеха. [9]

Заключение

При выполнении курсового проекта ознакомилась со стадией отгонки хлорметила из конденсата метилхлорсиланов на производстве.

Рассмотрела технологическую схему, провела конструктивный расчет теплообменного аппарата. Был проведен материальный баланс по этой стадии.

Ознакомилась с химией кремнийорганических соединений и с системой промышленной безопасности на предприятии и изучила отдельные инструкции при аварийной останови производства.

Химия кремнийорганических соединений — отрасль, которая химическая наука открыла и развила без малейших копирований природных материалов. В отличие от углеродных соединений вся промышленность и все ее продукты начинаются с кремния. [10]

Не смотря на то, что кремний используется во многих производствах и его легко добыть и получить, отрасли по производству МХС, ЭТС-40, ТЭОС и др. являются опасными производствами. Поэтому необходимо соблюдать правила безопасности на производстве. Из-за не соблюдения может привести:

1) возможность получения заболеваний дыхательных путей;

2) возможность возникновения ожогов при попадании на тело химических веществ, используемых в производстве;

3) возможность возникновения травм, связных с наличием движущихся механизмов;

4) возможность возникновения пожара из-за наличия ЛВЖ и ГЖ;

5) возможность накапливания зарядов статического электричества и возникновения загораний.

1. Электронный ресурс http://ru.wikipedia.org/wiki/

2. Электронный ресурс http://www.newchemistry.ru/

3. Электронный ресурс http://www.ximicat.com/info.php?id=3471

4. Постоянный технологический регламент метилхлорсиланов. Кн.1. Под ред. Смирнова В. В. — Чебоксары, 1994.

5. Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. — Л.:Химия, 2006. — 576 с.

6. Промышленные хлорорганические продукты. Справочник. Под ред. Л. А. Ошина. М.: Химия, 1978. — 656 с.

7. Расчет и проектирование кожухотрубчатых теплообменных аппаратов: учебн. пособие/ Н. И. Савельев, П. М. Лукин. — Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та. 2010. — 80 с.

8. База данных ChemCAD

9. Постоянный технологический регламент метилхлорсиланов. Кн.2. Под ред. Смирнова В. В. — Чебоксары, 1994.

10. Электронный ресурс http://www.monitoring-ooo.ru/